第3章 凝聚与絮凝(新)
水处理技术3
2012-11-22
水处理技术·第3章 凝聚和絮凝
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混凝机理
吸附架桥作用：
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胶粒颗粒通过吸附有机或无机高分子物质架桥连 接，凝聚为大的聚集体而脱稳聚沉。
架桥的三种情况：①不带电荷的高分子、 ②带异号 电荷的高分子、 ③带同号电荷的高分子
压缩双电层与电性中和的区别
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吸附电中和是异号电荷聚合离子或高分子连接吸附在胶 核表面，总电位发生变化
压缩双电层依靠溶液中反离子浓度的增加使胶体扩散层 厚度减少，导致ζ电位降低，并非反离子被吸附在胶体 表面，不会使胶体变号，总电荷不发生变化。
胶体脱稳并生成微小聚集体的过程，称为凝 聚。
脱稳的胶体或微小悬浮物聚结成大的絮凝体的 过程，称为絮凝。
混凝=凝聚+絮凝
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水处理技术·第3章 凝聚和絮凝
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混凝机理
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一、胶体的凝聚机理：
压缩双电层作用 吸附电中和作用 吸附架桥作用 沉淀物网捕作用
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水处理技术·第3章 凝聚和絮凝
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混凝机理
压缩双电层作用：
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投加电解质，增大溶液中离子浓度，减小扩散层 厚度(降低ζ电位)，使得最大排斥势能(势垒)减小以 及消失。
水质工程学习题08
水质工程学（上）例题、思考题、习题第1章水质与水质标准1.水中杂质按尺寸大小可分为几类？了解各类杂质主要来源、特点及一般去除方法。
2.各种典型水质特点。
3.《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006) 分类指标。
第2章水的处理方法概论1.水的主要物理化学处理方法。
2.反应器原理用于水处理有何作用和特点？3. 反应器的类型。
4.典型给水处理工艺流程。
第3章凝聚和絮凝例题1.设已知K＝5.14×10-5，G＝30s-1。
经过絮凝后要求水中颗粒数量浓度减少3/4，即n0/n M=4，试按理想反应器作以下计算：1）采用PF型反应器所需絮凝时间为多少分钟？2）采用CSTR反应器（如机械搅拌絮凝池）所需絮凝时间为多少分钟？3）采用4个CSTR型反应器串联所需絮凝时间为多少分钟？解：1）将题中数据代入公式得：t＝ln4/(5.14×10-5×30)＝899s＝15min2）将题中数据代入公式得：t＝（4-1）/(5.14×10-5×30)＝1946s＝32min3）将题中数据代入公式得：t＝（41/4-1）/(5.14×10-5×30)＝269s总絮凝时间T＝4t＝4×269＝1076s＝18min由此可知，推流型絮凝池的絮凝效果优于单个机械絮凝池，但采用4个机械絮凝池串联时，絮凝效果接近推流型絮凝池。
2. 某地表水源的总碱度为0.2mmol/L。
市售精制硫酸铝（含Al2O3约16％）投量为28mg/L。
试估算石灰（市售品纯度为50％）投量为多少mg/L。
解：投药量折合Al2O3为28mg/L×16％＝4.48mg/L，Al2O3分子量为102，故投药量相当于4.48/102=0.044 mmol/L，剩余碱度取0.37 mmol/L，则得：[CaO]=3×0.044－0.2+0.37＝0.3 mmol/LCaO分子量为56，则市售石灰投量为：0.3×56/0.5=33 mg/L。
第三章 凝聚与絮凝
第三章凝聚与絮凝名词解释1.凝聚：胶体脱稳并生成微小絮凝体的过程；2.絮凝：脱稳的胶体或微小悬浮物聚结成大的絮凝体的过程；3.混凝：凝聚和絮凝的总称，分别解释。
4.势垒：5.聚沉值：在指定情形下使一定量的胶体颗粒聚沉所需的电解质的最低浓度。
6.临界电位：将ξ电位降至某一数值使胶体颗粒总势能曲线上的势垒处E=0，胶体颗粒即可产生凝聚作用，此时的ξ电位称为临界电位。
7.盐基度：B=[OH]/3[Al]=n/6其比值表示水解和聚合反应的程度。
8.Stern层：在与胶体表面附近一、两个分子厚的区域内，反离子由于受到胶体表面电荷强烈的静电引力而与胶体紧密吸附在一起，这一固定吸附层为stern层。
考点总结胶体1.定义：尺寸在1nm-1μm之间颗粒，包括浊质，天然有色成分，病毒，细菌类，藻类。
2.去除原因：使水产生浑浊的原因；水中细菌、病毒、污染物的载体；为专项杂质去除的前驱工艺，减轻后部负荷。
3.胶体带电原因：1）同晶置换，胶体颗粒结晶中的晶格取代使胶体表面产生电荷；2）电离，胶体颗粒表面某些化学基团在水中电离使胶体带点；3）胶体颗粒表面与水作用后溶解并电解使胶体带点；4）胶体颗粒对水中某些离子的吸附使胶体带电。
4.胶体双电层结构：受静电引力、热运动扩散、溶剂化力的共同作用。
胶核电位形成离子束缚反粒子自由反粒子吸附层扩散层5.Stern模型φ0电位：双电层内层与外层之间的电位差；φs电位：又称Stern电位，为stern平面相对溶液内部的电位差；ξ电位：胶粒在滑动面上相对溶液内部的电位差。
该电位为胶体体系稳定性的指示，其绝对值越大，胶体越稳定，越难处理。
6.胶体稳定的原因1.动力稳定性：胶体尺寸较小，布朗运动可以客服重力，使胶体稳定；2.带电稳定性：两个带相同电荷的胶体颗粒存在静电斥力；3.溶剂化稳定性：胶体颗粒周围有一层水分子规律定向排列的水化层，胶体靠近时，水化层中水分子被挤压变形产生反弹力；7.胶体混凝机理1)压缩双电层作用：高价态离子替换低价态离子使双电层变薄；2)吸附—电中和作用：胶体颗粒表面吸附异号离子、异号胶体颗粒或带异号电荷的高分子，从而中和了胶体颗粒本身所带部分电荷，减少了胶体颗粒间的静电斥力，使胶体更易于聚沉。
水质工程学(Ⅰ)例题、思考题、习题答案
水质工程学（Ⅰ）例题、思考题、习题第1章水质与水质标准1.水中杂质按尺寸大小可分为几类？了解各类杂质主要来源、特点及一般去除方法。
水中杂质按尺寸大小分为悬浮物、胶体、溶解物三类。
悬浮物：尺寸较大（1?m-1mm），可下沉或上浮（大颗粒的泥砂、矿碴下沉，大而轻的有机物上浮）。
主要是泥砂类无机物质和动植物生存过程中产生的物质或死亡后的腐败产物等有机物。
这类杂质由于尺寸较大，在水中不稳定，常常悬浮于水流中。
当水静置时，相对密度小的会上浮与水面，相对密度大的会下沉，因此容易去除。
胶体：尺寸很小（10nm-100nm）,具有稳定性，长时静置不沉。
主要是粘土、细菌和病毒、腐殖质和蛋白质等。
胶体通常带负电荷，少量的带正电荷的金属氧化物胶体。
一般可通过加入混凝剂进去去除。
溶解物：主要是呈真溶液状态的离子和分子，如Ca2+、Mg2+、Cl-等离子，HCO3-、SO42-等酸根，O2、CO2、H2S、SO2、NH3等溶解气体分子。
溶解物与水成均相，透明。
但可能产生色、臭、味。
是某些工业用水的去除对象，需要特殊处理。
有毒有害的无机溶解物和有机溶解物也是生活饮用水的去除对象。
2.各种典型水质特点。
（数值可不记）江河水：易受自然条件影响，浊度高于地下水。
江河水年内浊度变化大。
含盐量较低，一般在70～900mg/L之间。
硬度较低，通常在50～400mg/L(以CaCO3计）之间。
江河水易受工业废水和生活污水的污染，色、臭、味变化较大，水温不稳定。
湖泊及水库水：主要由河水补给，水质类似河水，但其流动性较小，浊度较低；湖水含藻类较多，易产生色、臭、味。
湖水容易受污染。
含盐量和硬度比河水高。
湖泊、水库水的富营养化已成为严重的水污染问题。
海水：海水含盐量高，在7.5～43.0g/L之间，以氯化物含量最高，约占83.7%，硫化物次之，再次为碳酸盐，其它盐类含量极少。
海水须淡化后才可饮用。
地下水：悬浮物、胶体杂质在土壤渗流中已大部分被去除，水质清澈，不易受外界污染和气温变化的影响，温度与水质都比较稳定，一般宜作生活饮用水和冷却水。
水质工程学——第3章 混凝
稳定性原因 双电层结构与电位
•Φ电位：胶核表面的点位，总电位。
扩散层
•电位：滑动面上的电位，动电位。
在数值上等于总电位中和
吸附层
胶 胶粒 核
胶
団
天然水中胶体杂质通常是负电胶 体，如粘土，细菌，病毒，藻类， 腐殖物等。 粘土电位＝-15~-40 mV 细菌电位＝-30~-70 mV 藻类电位＝-10~-15 mV
の
阳离子浓度 阴离子浓度
憎水胶体稳定性的原因：DLVO理论
胶体颗粒之间的相互作用：
排斥势能——静电斥力 排斥势能：ER－1/d2 吸引势能——范德华引力 吸引势能：EA－1/d6（或1/d2，1/d3） 胶体颗粒能否聚集取决于总势能
排 斥 势 能 ER
r
Er E Emax
r
(a)
0
a b
高分子投量过少，不足以形成吸附架桥 投加过多，会出现“胶体保护”现象。 •铝盐的多核水解产物： 长度不足，电性中和 •中性氢氧化铝聚合物： 架桥作用 •高分子物质： 吸附架桥 +（电中和）
线性、长度
弹性势能、电性 斥力、水化膜
架桥模型示意图
胶体保护示意图
3.网捕或卷扫 网捕或卷扫 机械作用
金属氢氧化物在形成过
天然水体一般pH=6.5-7.8 ，主要吸附 架桥和电性中和。
作业一
1.什么是胶体稳定性？水中胶体为什么
处于稳定状态（稳定状态的分类）？ 2.用DLVO理论解释胶体稳定性的原因 3.混凝机理有哪些？
3.2 混凝剂和助凝剂
一、混凝剂
混凝剂符合的要求
混凝效果好 对人体无危害
使用方便 货源充足，价格低廉
在动力学稳定性和聚集稳定两者之中，聚集稳定 性对胶体稳定性的影响起关键作用。布朗运动既 是胶体稳定性原因，也是引起碰撞聚结的不稳定 因素。
第三章 凝聚与絮凝
3.1 颗粒间的相互作用
• 溶剂化作用 颗粒表面溶剂化膜的存在是溶剂化作用的来源，当颗 粒相互接触时，除了分子吸引及静电排斥外，当间距减小 到溶剂化膜开始接触时，便产生一种被称为溶剂化力或结 构力的附加作用。
3.1 颗粒间的相互作用
• 溶剂化作用 颗粒表面溶剂化膜的存在是溶剂化作用的来源，当颗 粒相互接触时，除了分子吸引及静电排斥外，当间距减小 到溶剂化膜开始接触时，便产生一种被称为溶剂化力或结 构力的附加作用。即水化膜的排斥作用。 溶剂化力的表现有两种形式，一种是振荡力，其振荡 周期与液体分子的直径有关，且随着距离的增大逐渐衰减； 另一种形式的溶剂化力则随着表面组分的溶剂化和溶剂分 子在表面的定向排列而增加。
水解 Al (OH )63 [ Al (OH )6 OH ]2 H 3O H2O
4<pH<6时,为[Al6(OH)15]3+、[Al7(OH)17]4+、[Al8(OH)20]4+、 [Al13(OH)34]5+等 pH>6时，发生Al(OH)沉淀 pH>8时， [Al(OH)4]-， [Al8(OH)26]2-
3.1 颗粒间的相互作用
• 双电层静电作用 同质颗粒的静电排斥作用 带电的颗粒和双电层中的反粒子作为一个整体是电中 性的。只要彼此的双电层尚未交联，两个带点质点之间就 不存在静电力，但是当两质点接近到一定位置，他们的双 电层发生重叠，改变了双电层的电势与电荷分布，就会产 生排斥作用。
3.1 颗粒间的相互作用
3.2 混凝作用机理
• 凝聚动力学 同向凝聚 由于介质的层流和紊流运动而引起颗粒碰撞、凝聚 的过程称为“同向凝聚”。假定由层流的速度梯度所引 起的颗粒每一次碰撞都产生一次凝聚，于是对于同向凝 聚，则 dN dt 2 3 Gd 3 N 2
生物工程下游技术作业及答案[终稿]
![生物工程下游技术作业及答案[终稿]](https://img.taocdn.com/s3/m/55974d4676232f60ddccda38376baf1ffd4fe347.png)
生物工程下游技术作业及答案第三章1 凝聚:是指在电解质作用下，由于胶粒之间双电层排斥作用降低，电位下降，而使胶体体系不稳定的现象。
2 絮凝：是指在某些高分子絮凝剂存在下，基于桥架作用，使胶粒形成絮凝团的过程。
3 为有利于发酵液过滤可采用哪些方法来改变发酵液过滤特性？其简要机理如何？答：可通过以下几个方式：（1）降低液体粘度(加水稀释法和加热法)；（2）调节pH；（3）凝聚与絮凝；（4）加入助滤剂；（5）加入反应剂。
4 杂蛋白是发酵液中主要杂质，常用的除去方法有哪些？答：沉淀法；变性法；吸附法。
第四章1 细胞破碎：是指选用物理、化学、酶或机械的方法来破坏细胞壁或细胞膜。
2 细胞破碎有哪些方法？简述他们的基本原理。
答：固体剪切法；液体剪切法；超声波法；其他方法。
3 高压匀浆法与球磨法比较？答：1、高压匀浆法操作参数少，易于确定，适于大规模操作，而球磨法操作参数多，一般凭经验估计，在大规模操作中，夹套冷却控温难度较大。
2、球磨机连续操作时兼具破碎和冷却双重功能，减少了产物失活的可能性，而高压匀浆机需配备换热器进行级间冷却。
3、球磨法破碎在适当条件下一次操作即可达到较高的破损率，而高压匀浆法往往需循环2-4次才行。
4、球磨机适合于各种微生物细胞的破碎，而高压匀浆机不适合丝状真菌及含有包含体的基因工程菌。
第六章1浓差极化：是指当溶剂透过膜，而溶质留在膜上，因而使膜面浓度增大，并高于主体中浓度的现象。
2 膜的污染：随着操作时间的增加，膜透过流速的迅速下降，溶质的截留率也明显下降，这一现象被称为膜的污染。
3 简要说明各种膜（超滤膜、微孔过滤膜和纳米过滤膜）的特点及用途？答：超滤膜：能截留相对分子质量500以上的高分子的膜，应用于大分子产品，主要是酶及蛋白类产品。
微孔过滤膜：主要用于分离流体中尺寸为0.1-10µm的微生物和微粒子，以达到净化、分离和浓缩的目的。
主要用于无菌液体的生产，反渗透及超过滤的前处理。
水质工程学各章习题(自己整理的)
第一章水质与水质标准填空题：1、水的循环包括：和。
2、按水中杂质的尺寸，可以将杂质分为、、三种。
3、含磷物质存在形式：、、；溶解性的磷：、、；悬浮性的磷：。
4、按处理程度污水处理分为：、、。
5、污水的最终出路：、、。
6、城市污水：包括以下四部分、、、。
7、污水复用分：、。
8、有直接毒害作用的无机物：、、、、、。
9、生活饮用水的水质指标可分为、、、四类。
10、通常采用、、、等水质指标来表示水质耗氧有机物的含量。
名词解释：1、合流制2、分流制3、 BOD4、 COD5、 TOC6、 TOD7、总残渣、总固体或叫蒸发残渣8、水体富营养化 ( eutrophication ) 的定义9、水环境容量 10、水体自净问答题：1、污水中含氮物质的分类及相互转换2、什么是水体自净？为什么说溶解氧是河流自净中最有力的生态因素之一？3、在研究水体污染问题时，为什么除毒物外，还要考虑溶解氧和生化需氧量这两个问题？在进行水体自净的计算时，关于溶解氧一般是以夏季水体中不低于 4mg/L为根据的，但在北方严寒地区，对于溶解氧的要求往往提高，这是什么原因？4、进行水体污染的调查，主要应采取哪些步骤？5、什么是水体富营养化？富营养化有哪些危害？6、 BOD 的缺点、意义？7、什么是“水华”现象？8、什么是“ 赤潮” 现象？9、氧垂曲线的意义，使用时应主意哪些问题？10、写出氧垂曲线的公式，并图示说明什么是氧垂点。
11、河水：最旱年最旱月平均时流量（保证率 95% ）（水速为0.25m/s），生化需氧量第二章水的处理方法概论填空题：1、水处理按技术原理可分为和两大类。
2、按对氧的需求不同，将生物处理过程分为和两大类。
3、按反应器内的物料的形态可以分为和两大类；按反应器的操作情况可将反应器分为和两大类。
4、列举水的物理化学处理方法：、、、、。
（举出 5 种即可）名词解释：>1、间歇式反应器 2 、活塞流反应器 3 、恒流搅拌反应器 4 、过滤5、吸附 6 、氧化与还原 7 、水的好氧处理 8 、水的厌氧处理9、停留时间 10 、停留时间分布函数 11 、水处理工艺流程问答题：1、水处理工艺流程选择的出发点有哪些？如何确定一个合适的水处理工艺流程？2、举例说明废水处理的物理法、化学法和生物法三者之间的主要区别。
第三章 混凝和絮凝3
高速混合装置主要有两类：
1.利用水流本身能量混合的方式：如管式静态
混合器、隔板混合、利用水跃跌水进行混合、
利用水射器进行混合。
2.利用外加能驱动的机械装置进行混合：如螺桨
式、桨式等机械搅拌装置，加压扩散泵混合装
反映颗粒絮凝程度。优点是因子单一，不受混凝机理或品种
的限制，不受水质限制。
3.5.5 快速混合和絮凝反应 1.快速混合 混凝剂水解反应快10-10s，聚合10-2s 胶体吸附金属盐水解产物10-4s，高分子100s 使混凝剂快速均匀分散、形成脱稳胶体微米 数量级 2.絮凝反应 创造絮体成长条件，使其尺寸和密度增大。 速度梯度逐段降低 反应时间20-30mins颗粒尺寸增大到可以重 力沉降（0.6mm以上）
v i2 hi m i 2 li 2g Ci Ri
v2 it
3 折板絮凝池
在隔板絮凝池基础上发展而来 竖流式和平流式两种，通常采用竖流式，
竖流式又分为同波和异波折板两种
与隔板式相比，水流条件大大改善，可
以缩短总絮凝时间，絮凝效果良好
但安装维修较困难，折板费用较高
折板絮凝池
采用较多的是：异波折板——同波折板——平板。 与隔板式相比，水流条件大大改善，有效能量消耗 比例提高，池体减少，絮凝时间短。但安装维修较 困难，折板费用较高。
3.5.4 混凝剂投加量自动控制
最佳投加量：处理后水质最优的投加量 水质达标的最小投加量 原理：对于某一特定水源，可根据水质、水量建立数学模
1.数学模拟法
型，写出程序交计算机执行调控。
第三章 水环境化学习题解答
第三章水环境化学一、填空题1、天然水体中常见的八大离子包括：K+、Na+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、NO3-、Cl-、SO42-。
2、天然水体中的碳酸平衡体系a0、a1、a2分别表示[H2CO3*]、[HCO3-]、[CO32-]的分配系数，其表达式分别为：（用pH\K1\K2表达）:a 0=[H2CO3*]/{[ H2CO3*]+[ HCO3-]+[ CO32-]}=[H+]2/{[H+]2+K1[H+]+K1K2}a 1=[ HCO3-] /{[ H2CO3*]+[ HCO3-]+[ CO32-]}= K1[H+]/{[H+]2+K1[H+]+K1K2}a 2=[ CO32-] /{[ H2CO3*]+[ HCO3-]+[ CO32-]}= K1K2/{[H+]2+K1[H+]+K1K2}。
(注：此三个公式前半段教材119-120页有错误！)a 0+a1+a2=13、根据溶液质子平衡条件得到酸度低表达式：总酸度=[H+]+2[ H2CO3*]+[HCO3-]-[OH-]；CO2酸度= [H+]+[H2CO3*]-[CO32-]-[OH-]（注：教材121此公式错误），无机酸度= [H+]-[HCO3-]-2[CO32-] -[OH-] 。
4、根据溶液质子平衡条件得到酸度低表达式：总碱度= [OH-] +2[CO32-]+[HCO3-]-[H+]；酚酞碱度= [OH-] +[CO32-]-[H+]-[ H2CO3*]；苛性碱度= [OH-] -2[ H2CO3*]-[HCO3-]-[H+]。
5、“骨痛病事件”的污染物是镉；水俣病的污染物是汞（或甲基汞）。
6、水体的富营养化程度一般可用总磷（TP）、总氮（TN）、叶绿素a、透明度等指标来衡量。
7、水环境中氧气充足的条件下有机物发生的生物降解称为有氧（或好氧）降解，最终产物主要为二氧化碳和水，有机氮转化为硝酸根，有机硫转化为硫酸根。
水中的有机物在无氧条件经微生物分解，称为厌氧降解，降解产物除二氧化碳和水外，还有小分子的醇、酮、醛、酸等，无机态氮主要以氨氮存在、硫主要以硫化物存在，水体发臭发黑。
凝聚与絮凝原理
凝聚与絮凝原理
凝聚与絮凝原理是一种物理过程，它涉及到固体、液体或气体中的粒子聚集形成更大的集群的现象。
这些聚集体通常被称为胶束或绒球。
在液体中，凝聚与絮凝原理是由溶液中的分子间相互作用引起的。
当溶液中的某些分子之间发生吸引力时，它们会聚集在一起形成一个微小的团簇。
这种聚集是由于吸引力势能的降低而发生的。
在固体中，凝聚与絮凝原理是由固体颗粒之间的相互吸引力引起的。
这种吸引力可以是由于静电力、范德华力或其他相互作用力引起的。
当固体颗粒之间的引力超过颗粒之间的排斥力时，它们会聚集在一起形成一个更大的颗粒。
在气体中，凝聚与絮凝原理是由于气体分子之间的碰撞而引起的。
当气体分子之间发生碰撞时，它们可能会发生粘附，从而形成一个微小的团簇。
这种凝聚过程也可以由于温度或压力的变化而引起。
凝聚与絮凝原理在许多自然和工业过程中起着重要的作用。
例如，在液体中，凝聚与絮凝可以导致沉淀的形成，从而使悬浮物沉积下来。
在气体中，凝聚与絮凝可以导致云的形成，从而导致降水的发生。
在工业中，凝聚与絮凝可以用于分离混合物中的不同组分。
总的来说，凝聚与絮凝原理是由于粒子之间的相互作用引起的
聚集现象。
这种现象在自然和工业过程中都很常见，并且对于许多物质的性质和行为具有重要影响。
第3章_凝聚和絮凝
排 斥 势 能 E R
r
r
Er E Emax
(a)
0
a
c
间 x 距
吸 引 势 能 EA
Ea
图 6-2 3-2
相 作 势 与 粒 离 系 互 用 能 颗 距 关
（ a)双 层 叠 电 重 ； (b)势 变 曲 能 化 线
3.2 混凝机理
一.铝盐在水中的化学反应 铝盐最有代表性的是硫酸铝Al2(SO4)3⋅18H2O,溶 于水后,立即离解铝离子,通常是以[Al(H2O)6]3+存在. 在水中,会发生下列过程。 1. 过 配位水分子发生水解： [Al(H2O)6]3+――[Al(OH)(H2O)5]2++ H+ ……. 其结果是：价数降低，pH降低，最终产生――Al (OH)3沉淀
。 胶
H值的影响 (2) 水的pH值的影响 (3) 水的碱度的影响 (4) 水中浊质颗粒浓度的影响 (5) 水中有机污染物的影响 (6) 混凝剂种类与投加量的影响 (7) 混凝剂投加方式的影响 (8) 水力条件的影响
3.3 混凝剂
一.混凝剂 种类有不少于200 300种 200－ 种类有不少于200－300种 其分类见表3-1 其分类见表3
3.1 胶体的稳定性
一.胶体的稳定性 胶体的稳定性
动力学稳定性 聚集稳定性
布朗运动对抗重力。 布朗运动对抗重力。 胶体带电相斥（憎水性胶体） 胶体带电相斥（憎水性胶体） 水化膜的阻碍（亲水性胶体） 水化膜的阻碍（亲水性胶体）
两者之中,聚集稳定性对胶体稳定性的影响起关键作用。 两者之中,聚集稳定性对胶体稳定性的影响起关键作用。 对胶体稳定性的影响起关键作用
G= p
µ
当 当 能 ，
第3章 凝聚与絮凝
第3章凝聚与絮凝思考题1. 何谓胶体稳定性，试用胶粒间相互作用势能曲线说明胶体稳定性的原因。
2. 高分子混凝剂投量过多时，为什么混凝效果反而不好？3. 目前我国常用的混凝剂有哪几种？各有何优缺点？4. 什么叫助凝剂？常用的助凝剂有哪几种？在什么情况下需投加助凝剂？5. 何谓同向絮凝和异向絮凝？两者的凝聚速率与那些因素有关？6. 絮凝过程中，G值的真正涵义是什么？沿用已久的G值和GT值的数值范围存在什么缺陷？请写出机械絮凝池和水力絮凝池的G值公式。
7. 根据反应器原理，什么形式的絮凝池效果较好？折板絮凝池混凝效果为什么优于隔板絮凝池？8. 影响混凝效果的主要因素优哪几种？这些因素是如何影响混凝效果的？9. 混凝剂有哪几种投加方式？各有何优缺点及其适用条件？10. 何谓混凝剂“最佳剂量”？如何确定最佳剂量并实施自动控制？11. 当前水厂中常用的混合方法有哪几种？各有何优缺点？在絮凝过程中，为什么G值应自进口至出口逐渐减小？12. 采用机械絮凝池时，为什么要采用3~4档搅拌机且各档之间需用隔墙分开？习题1. 河水总碱度0.1mmol/L（按CaO计）。
硫酸铝（含Al2O3为16℅）投加量为25mg/L，问是否需要投加石灰以保证硫酸铝顺利水解？设水厂日生产水量50000m3，试问水厂每天约需要多少千克石灰（石灰纯度按50℅计）。
2. 设聚合铝[Al2（OH）nCl6—n]在制备过程中，控制m=5，n=4，试求该聚合铝的碱化度为多少？3. 某水厂采用精制硫酸铝作为混凝剂，其最大投量为35mg/L。
水厂设计水量100000m3/d。
混凝剂每日调制3次，溶液浓度按10℅计，试求溶解池和溶液池体积各为多少？4. 隔板絮凝池设计流量75000m3/d。
絮凝池有效容积为1100mm3。
絮凝池总水头损失为0.26m。
求絮凝池总的平均速度梯度值和值个为多少？（水厂自用水按5℅）。
5. 某机械絮凝池分成3格。
每格有效尺寸为2.06m（宽）2.6m（长）4.2（深）。
水处理作业题1
第2章水处理方法概论14-1 在实验室里做氯消毒试验。
已知细菌被灭活速率为一级反应，且k=0.85min-1。
求细菌被灭活99.5%时，所需消毒时间为多少分钟？14-2 设物料i分别通过CSTR型和PF型反应器进行反应，进水和出水中i浓度之比君为Co/Ce=10，且属一级反应，k=2h-1。
求水流在CSTR型和PF型反应器内各需多少停留时间？（注：Co——进水中i初始浓度；Ce——出水中i的浓度）14-3 题2中若采用4个CSTR型反应器串联，其余条件同上。
求串联后水流总停留时间为多少？14-4 液体中物料i的浓度为200mg/l，经过2个串联的CSTR型反应器后，i浓度降至20mg/l。
液体流量为5000m3/h；反应级数为1；速率常数为0.8h-1。
求每个反应器的体积和总反应时间。
第3章凝聚和絮凝1、河水总碱度0.1mmol/L（按CaO计）。
硫酸铝（含Al2O3为16%）投加量为25mg/L，问是否需要投加石灰以保证硫酸铝顺利水解？设水产每日生产水量50000m3,试问水厂每天约需要多少千克石灰（石灰纯度按50%计）。
2、设聚合铝[Al2（OH）n·Cl6-n]m在制备过程中，控制m=5,n=4,试求该聚合铝的盐基度为多少？3、某水厂采用精制硫酸铝为混凝剂，其最大投量为35mg/L.水厂设计流量100000 m3/d。
混凝剂每日调制3次，溶液浓度按10%计，试求溶解池和溶液池体积各为多少？4、隔板絮凝池设计流量75000 m3/d。
絮凝池有效容积为1100 m3。
絮凝池总水头损失为0.26m。
求絮凝池总的平均速度梯度G值和GT值各为多少？（水厂自用水量按5%计,水温按15℃计）5、某机械絮凝池分成三格。
各格有效尺寸为2.6m（宽）×2.6m（长）×4.2m(深)。
每格设一台垂直轴浆板搅拌器，构造按图15-21，设各部分尺寸为：r2=1050m;浆板长1400mm，宽120mm;r0=525mm。
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胶核
ψ
ζ
ζ
①混凝剂投加过多，混凝效果反而下降。
②投加与胶粒带相同电荷的聚合物或高分子有机物也有良好 的混凝效果。
吸附-电中和作用机理 ★ 吸附 - 电中和作用是指胶粒表面吸附异号离子、异号 胶粒或链状带异号电荷的高分子，从而中和胶粒本身 所带的部分电荷，减少了胶粒间静电斥力，使胶粒更 易于聚沉。 ★ 吸附作用驱动力包括: 静电引力、氢键、配位键、范 德华引力等。
胶体颗粒的表面电荷和电位不同，所需要的混凝剂量也不同； ◆ 水的pH值对混凝剂的水解反应有显著影响，不同混凝剂对pH值的 适应范围不同，水解产物的形态不同，混凝效果也各不相同。 ◆ 高分子混凝剂的混凝效果受水的pH值的影响较小。
3.水的碱度的影响
◆ 在盐类混凝剂的水解过程中不断产生H+，导致pH值下降，所以必 须有足够的碱性物质与其中和，即要保证碱度适中。 ◆ 如果碱度不足，应投加碱性物质（如石灰）来提高混凝效果。
网捕--卷扫作用机理
网捕--卷扫作用是指投加到水中的铝盐、铁盐等混凝剂水解后
形成大量的具有三维立体结构的水合金属氧化物沉淀，当这些 水合金属氧化物体积收缩沉降时，会像多孔的网一样，将水中
胶体颗粒捕获卷扫下来，产生沉淀分离。 网捕--卷扫作用主要是一种机械作用，其混凝除浊效率不高。 所需混凝剂量与原水杂质含量成反比，即当原水中胶体的含量 多时，所需混凝剂少。
ψ
ζ ζ 吸附层 滑动面 扩散层
胶团
胶 胶粒 核
位越高，胶粒带电量越大，带同性电荷
的胶体颗粒之间静电斥力越大，胶体颗粒越具稳定性。
3.1.2 胶体之间的相互作用
胶体颗粒共存时相互之间的作用规律可用DLVO理论进行描述。DLVO理 论是由德加根（Derjaguin）和兰道(Landan）与伏维（Verwey）、奥
水处理工程中，原水是一个很复杂的分散体系。根据原 水水质不同，上述四种作用机理可能在同一混凝过程中 同时发生，也可能仅有其中的一种、两种或三种机理起 作用。
3.2.2 絮凝机理
絮凝的目的： 脱稳胶体
相互碰撞
聚集成大的絮凝体
脱稳胶体颗粒之间发生碰撞的动力来自两个方面：
颗粒的布朗运动
异向絮凝 同向絮凝
胶粒 胶粒 高分子 高分子 胶粒 胶粒 胶粒 胶粒 排斥 排斥 高分子 高分子 排斥 排斥
高分子 高分子
图（1）
图（2）
6-5 架桥模型示意 6-6 胶体保护示意 图图 6-5 架桥模型示意 图图 6-6 胶体保护示意 投加高分子絮凝剂时，应避免出现以下两个现象：
★ 投量过少，不足以形成吸附架桥； ★ 投量过多，会出现“胶体保护”现象，见图（2）。
3.3 混凝剂
混凝剂种类很多，其分类方法有以下几种： 按其作用分为：混凝剂、助凝剂 按其化学组成分为：无机混凝剂、有机混凝剂 按其分子量大小分为：低分子混凝剂、高分子混凝剂 按其来源分为：天然混凝剂、合成混凝剂 目前通常使用的是前两种分类方法，即按作用和化学组 成分类。 3.3.1 无机盐类混凝剂 无机盐类混凝剂品种较少，但应用普遍。应用最广的主 要是铝盐和铁盐及其水解聚合物，如硫酸铝、三氯化铁、 硫酸亚铁等。
排 斥 势 能 ER
ER E
间距x
0
吸 引 势 能 EA
EA
胶体颗粒处于不同距离时，总势能可能有以下几种情况：
当oa＜x＜oc时，排斥势能占优势； 当x=ob时，在总势能曲线上出现最大排斥势能，称为排斥能峰。 当x＜oa时，吸引势能占优势；
结论：
当两个胶体颗粒由远靠近时，首先起作 用是排斥势能，如果能够克服排斥能峰 进一步靠近到某一距离时吸引势能才开 始起作用。由于胶体颗粒的布朗运动能 量远小于排斥能峰，故两胶体颗粒不能 相互靠近发生凝聚，始终保持稳定。
5.混凝剂种类与投加量的影响
最佳药剂种类及剂量受各种因素的影响，一般通过实验确定。
6.水中有机污染物的影响
水中溶解性的有机物分子吸附在胶体颗粒表面形成有机涂层，将胶 体保护起来，阻碍胶体颗粒之间的碰撞。
通常采用投加氧化剂（高锰酸钾、臭氧、氯等）破坏有机物对胶体 的保护作用，以改善混凝效果，降低混凝剂消耗量。
★ 药剂投加量过多时，吸附驱动力使胶粒吸附过多异号 离子，从而导致胶粒反号，即胶体发生再稳现象。
由DLVO 理论可知，只要将ζ电位降至某一数值，使排斥 能峰Emax =0，胶体即可发生凝聚，此时的ζ电位称为临 界电位ζk。
吸附架桥作用机理
吸附架桥作用是指高分子物质与胶粒的吸附与桥连。高分子链的 一端吸附了某一胶粒后，另一端又吸附另一胶粒，形成“胶粒-高 分子-胶粒”的絮凝体。架桥模型示意见图（1）。
结论：
对于憎水性胶体，动力稳定性和带电稳定性起主要作用。 对于亲水性胶体，水化作用稳定性占主导地位，带电稳定性则处 于次要地位。
3.2 混凝机理
3.2.1 胶体的凝聚机理
水处理专家公认的凝聚机理有四个方面： 压缩双电层作用机理 吸附-电中和作用机理 吸附架桥作用机理 网捕-卷扫作用机理
排 斥 势 能 ER
ER E
Emax
0 a
吸 引 势 能 EA
b
EA
c
间距x
要使两胶体颗粒相互靠近并凝聚下沉，应降低ζ电位，减少静电 斥力，降低排斥能峰。
3.1.3 胶体的稳定性 胶体稳定的原因
胶体的动力稳定性 胶体的带电稳定性 胶体的水化作用稳定性
胶体的动力稳定性：是由布朗运动引起。胶粒尺寸很小，无规则 的布朗运动强，从而胶体颗粒均匀分散在水中而稳定。 胶体的带电稳定性：是由静电斥力引起。静电斥力对抗范德华引 力，使胶体颗粒保持分散状态而稳定。 胶体的水化作用稳定性：亲水性胶体的水化作用来源于胶粒表面 极性集团对水分子的强烈吸附，使胶粒周围包裹一层较厚的水化 膜，阻碍胶粒相互靠近，从而胶粒保持分散状态而稳定。
3.6 混凝设施
本章重点：水中胶体的稳定性、凝聚与絮凝机理、影响 混凝效果的主要因素、混凝剂的特性、絮凝 池的设计与计算。
本章难点：混凝机理、混凝动力学。
概 述
凝聚：水中胶体失去稳定（脱稳）并生成微小聚集体的
过程。
絮凝：脱稳的胶体相互聚结成大的絮凝体的过程。
混凝：混凝是凝聚和絮凝的总称，是指水中胶体粒子失 去稳定并相互聚结成大的絮凝体的过程。它是通 过向水中投加混凝剂实现的。 混凝去除对象:水中胶体粒子及微小悬浮物。
3.2.3 影响混凝效果的主要因素
客观因素：原水水质（包括水温、pH值、碱度、水中各化学成分的
含量及性质等）
主观因素：人为可操作的混凝条件（如水力条件、混凝剂种类、用 量及投加方式等）
1.水温的影响
适宜的水温在20～30℃之间。 水温低时，通常铝
外观及腐蚀性
分别为白色和灰白色结晶。含有不同数量的结晶水，常用的硫酸铝 为A12(SO4)3· 18H2O，硫酸铝易溶于水，溶液呈酸性，腐蚀性较小。
对水温和pH值的适应性
适宜水温20～40℃。用于去除水中浊度时，最佳pH范围在6.5～7.5 之间，用于去除水中色度时，最佳pH范围在4.5～5.5之间。
4.水中浊质颗粒浓度的影响
水中浊质颗粒浓度很低时，由于颗粒碰撞速率大大减少，混凝效 果差。可采取以下措施： 投加高分子助凝剂，利用吸附架桥作用； 投加粘土，增加混凝剂水解产物的凝结中心，提高颗粒碰撞速 率并增加絮凝体密度。
投加混凝剂后直接过滤。
低温低浊水的混凝更为困难，成为专门研究课题。 如果原水中悬浮物浓度很高时，为节约混凝剂，通常先预沉或投 加高分子助凝剂。
较差。其原因有：
★ 无机混凝剂水解是吸热反应，低温时水解困难。 ★ 水温低粘度大，颗粒运动的阻力大，布朗运动减弱，不利颗粒凝 聚。同时，水流剪力增大，影响絮凝体的成长。 ★ 胶体颗粒水化作用增强，不利于颗粒间的粘附。
2.水的PH值的影响
◆ 水的pH值直接与水中胶粒的表面电荷和电位有关，不同的pH值下
7.水力条件的影响
水力条件包括水力强度和作用时间。 混凝过程包括混合和絮凝两个阶段： 混合阶段：要求混合快速剧烈，通常在10～30s，至多不超过两分 钟，以使混凝剂能迅速均匀地分散到原水中。 絮凝阶段：使已脱稳的胶粒通过同向絮凝的方式逐渐增大，搅拌 强度和水流速度应随着絮凝体的增大而逐渐降低，且应保证有一定 的絮凝作用时间。
应用：广泛应用于给水处理，也可用于工业水处理及城 市污水的三级处理和深度处理等。另外，还可用 于水的除油、脱色。 思考：水处理中，为什么需要进行混凝处理？
3.1 胶体的稳定性
作为水中的胶体颗粒杂质，其粒子尺寸大约在1nm到1m
之间，直接进行沉淀分离处理几乎是不可能。因此从水
处理的角度而言，认为胶体在水中是稳定的。 水中胶体稳定性：指胶体粒子在水中长期保持分散悬
作业一
1.何谓胶体的稳定性？胶体的稳定性的原因有 哪些？ 2.试用胶粒间相互作用势能曲线说明胶体稳定 的原因。 3.胶体的凝聚机理有哪些？
作业二
1.何谓同向絮凝和异向絮凝？ 2.影响混凝效果的因素有那些？这些因素是如 何影响混凝效果的？
第 2 篇
水的物理、化学及物理化学处理
第3章 凝聚和絮凝
本章内容：3.1 胶体的稳定性 3.2 混凝机理 3.3 混凝剂 3.4 混凝动力学 3.5 混凝过程
浮状态的特性。
处理目标：通过适当的技术手段使均匀分散的稳定胶 体颗粒失去稳定性，相互碰撞聚结成大颗粒，达到沉 降分离目的。 思考：为什么水中胶体具有稳定性？
3.1.1 胶体的双电层结构
胶体颗粒的最内层称为胶核，胶核表面因吸附电位形成离子而产生 表面电荷，带电荷的胶核通过静电作用吸引溶液中的反离子到其周 围，构成了胶体的双电层结构。 靠近胶核表面的一层反离子浓度最 大，且通过静电作用与胶核紧密吸 附在一起并随胶粒移动，将这层反 离子称为束缚反离子。 胶核表面的电位形成离子和其吸附